Voor de eerste keer, onderzoekers hebben hoogwaardige mid-infrarood laserdiodes rechtstreeks op micro-elektronica-compatibele siliciumsubstraten gefabriceerd. De nieuwe lasers zouden de wijdverbreide ontwikkeling van goedkope sensoren voor realtime, nauwkeurige omgevingsdetectie voor toepassingen zoals monitoring van luchtvervuiling, voedselveiligheidsanalyse, en het opsporen van lekken in leidingen.

"De meeste optische chemische sensoren zijn gebaseerd op de interactie tussen het betreffende molecuul en midden-infrarood licht, "Zei onderzoeksteamleider Eric Tournié van de Universiteit van Montpellier in Frankrijk. "Het vervaardigen van mid-infraroodlasers op micro-elektronica-compatibel silicium kan hun kosten aanzienlijk verlagen, omdat ze kunnen worden gemaakt met behulp van dezelfde hoogvolume-verwerkingstechnieken die worden gebruikt om de siliciummicro-elektronica te maken die mobiele telefoons en computers van stroom voorzien."

De nieuwe fabricagebenadering wordt beschreven in: optiek , Het tijdschrift van de Optical Society (OSA) voor onderzoek met een hoge impact. Het werk werd uitgevoerd in de EXTRA-faciliteiten en als onderdeel van het REDFINCH-consortium, die zich ontwikkelt verkleind, draagbare goedkope optische sensoren voor chemische detectie in zowel gassen als vloeistoffen.

"Voor dit project we werken stroomopwaarts door fotonische apparaten te ontwikkelen voor toekomstige sensoren, " zei Tournié. "In een later stadium, deze nieuwe midden-infraroodlasers kunnen worden gecombineerd met siliciumfotonica-componenten om slimme, geïntegreerde fotonische sensoren."

Industrie-compatibele fabricage

Laserdiodes zijn gemaakt van halfgeleidermaterialen die elektriciteit omzetten in licht. Mid-infrarood licht kan worden gemaakt met behulp van een type halfgeleider dat bekend staat als III-V. Ongeveer een decennium lang, de onderzoekers hebben gewerkt aan het afzetten van III-V-halfgeleidermateriaal op silicium met behulp van een methode die bekend staat als epitaxie.

Hoewel de onderzoekers eerder lasers op siliciumsubstraten demonstreerden, die substraten waren niet compatibel met de industrienormen voor de fabricage van micro-elektronica. Bij gebruik van industrie-compatibel silicium, verschillen in de materiaalstructuren van het silicium en de III-V halfgeleider veroorzaken defecten.

"Een bepaald defect dat een anti-fasegrens wordt genoemd, is een apparaatmoordenaar omdat het kortsluitingen veroorzaakt, " zei Tournié. "In dit nieuwe werk, we hebben een epitaxiale benadering ontwikkeld die voorkomt dat deze defecten het actieve deel van een apparaat bereiken."

De onderzoekers verbeterden ook het proces dat werd gebruikt om de laserdiode uit het epitaxiale materiaal te vervaardigen. Als resultaat, ze waren in staat om een ​​volledige laserstructuur te creëren op een industrie-compatibel siliciumsubstraat met een enkele run van een epitaxiaal gereedschap.

Hoogwaardige lasers

De onderzoekers demonstreerden de nieuwe aanpak door mid-infrarode laserdiodes te produceren die in continue-golfmodus werkten en lage optische verliezen vertoonden. Ze zijn nu van plan om de levensduur van de nieuwe apparaten te bestuderen en hoe die levensduur zich verhoudt tot de fabricage- en bedieningsmodus van de apparaten.

Ze zeggen dat als hun methode eenmaal volgroeid is, epitaxie van lasers op grote siliciumsubstraten (tot 300 millimeter breed) met behulp van siliciummicro-elektronicatools zal de controle over het fabricageproces verbeteren. Dit zal, beurtelings, de fabricagekosten van lasers verder verlagen en het ontwerp van nieuwe apparaten mogelijk maken. De nieuwe lasers kunnen ook worden gecombineerd met passieve siliciumfotonica-geïntegreerde schakelingen of CMOS-technologie om kleine, goedkoop, slimme fotonische sensoren voor gas- en vloeistofmetingen met hoge gevoeligheid.

"Het halfgeleidermateriaal waarmee we werken, maakt de fabricage mogelijk van lasers of fotodetectoren die in een breed spectraal bereik werken, van 1,5 micron (telecomband) tot 25 micron (ver infrarood), " zei Tournié. "Onze fabricagemethode kan worden toegepast op elk gebied waar men III-V-halfgeleiders op siliciumplatforms moet integreren. Bijvoorbeeld, we hebben al kwantum-cascadelasers gefabriceerd die uitzenden op 8 micron door deze nieuwe epitaxiale benadering toe te passen."